Head päeva.

Kergitame koos loori selliselt keeruliselt asjalt nagu arvutitootmine. Eelkõige saate sellest artiklist teada, mis on protsessori tehniline protsess ja miks arendajad püüavad seda igal aastal vähendada.

Kuidas protsessoreid tehakse?

Esiteks peaksite teadma vastust sellele küsimusele, et täiendavad selgitused oleksid selged. Kõik elektroonikaseadmed, sealhulgas protsessor, on loodud ühe enamkasutatava mineraali - ränikristallide - baasil. Lisaks on seda nendel eesmärkidel kasutatud rohkem kui 50 aastat.

Kristalle töödeldakse litograafia abil, et võimaldada üksikute transistorite loomist. Viimased on kiibi põhielemendid, kuna see koosneb täielikult neist.

Transistoride ülesanne on voolu blokeerimine või läbilaskmine, olenevalt elektrivälja hetkeseisundist. Seega töötavad loogikaahelad kahendsüsteemis, see tähendab kahes asendis - sisse ja välja. See tähendab, et nad kas edastavad energiat (loogiline üks) või toimivad isolaatoritena (null). Transistoride vahetamisel protsessoris tehakse arvutused.

Nüüd peamisest

Üldiselt viitab tehnoloogiline protsess transistoride suurusele.

Mida see tähendab? Tuleme jälle tagasi protsessorite tootmise juurde.

Kõige sagedamini kasutatav meetod on fotolitograafia: kristall kaetakse dielektrilise kilega ja sellest söövitatakse valguse abil transistorid. Selleks kasutatakse optilisi seadmeid, mille lahendamine on sisuliselt tehniline protsess. Transistoride peenus kristallil sõltub selle väärtusest - seadme täpsusest ja tundlikkusest.

Mida see annab?

Nagu aru saate, mida väiksemad need on, seda rohkem saab neid kiibile asetada. See mõjutab:

• Soojuse hajumine ja elektritarbimine. Elemendi suurust vähendades nõuab see vähem energiat ja tekitab seetõttu vähem soojust.
  See eelis võimaldab teil installida võimsaid protsessoreid väikestesse mobiilseadmetesse. Muide, tänu kaasaegsete kiipide vähesele energiatarbimisele peavad tahvelarvutid ja nutitelefonid laadimist kauem vastu. Arvutite puhul võimaldab madalam soojuseraldus jahutussüsteemi lihtsustada.
• Tühjade arv. Ühest küljest on tootjatel kasulik tehnilist protsessi vähendada, sest ühest toorikust saadakse suurem kogus tooteid. Tõsi, see on ainult tehnilise protsessi viimistlemise tagajärg, mitte kasu taotlemine, sest teisest küljest on transistoride suuruse vähendamiseks vaja kallimaid seadmeid.

• Kiibi jõudlus. Mida rohkem elemente sellel on, seda kiiremini see töötab, samas kui selle füüsiline suurus jääb samaks.

Tehnoloogiline protsess numbrites ja näidetes

Tehnoloogilist protsessi mõõdetakse nanomeetrites (nm). See on meetri 10 kuni -9 aste, see tähendab, et üks nanomeeter on miljardik sellest. Keskmiselt toodetakse kaasaegseid protsessoreid 22 nm protsessitehnoloogia abil.

Võite ette kujutada, kui palju transistore mahub . Selgemaks muutmiseks võib juuksekarva lõigatud alale mahutada 2000 elementi. Kuigi kiip on miniatuurne, on see selgelt suurem kui juuksekarva, nii et see võib sisaldada miljardeid transistorväravaid.

Tahad täpsemalt teada? Lubage mul tuua teile paar näidet:

• AMD protsessoritel, nimelt Trinity, Llano, Bulldozer, on 32 nm protsessitehnoloogia. Eelkõige on viimase kristalli pindala 315 mm2, kus asub 1,2 miljardit transistorit.
  Sama tootja Phenom ja Athlon on valmistatud 45 nm protsessitehnoloogia abil, see tähendab, et neil on 904 miljonit aluspinnaga 346 mm2.

• Intelil on 22 nm standardil põhinevad kiibid - see on Ivy Bridge'i perekond (Intel Core ix - 3xxx). Selguse huvides: Core i7 – 3770K-l on 1,4 miljardit elementi, hoolimata asjaolust, et selle stantsi suurus on vaid 160 mm.
  Samal kaubamärgil on ka 32 nanomeetriseid tooteid. Me räägime Intel Sandy Bridge'ist (2xxx). 216 mm2 suurusele pinnale mahub see 1,16 miljardile transistorile.

Muide, kõik, mida õppisite kesksete arvutiseadmete tehniliste protsesside kohta, kehtib ka graafikaseadmete kohta. Näiteks AMD (ATI) ja Nvidia videokaartide puhul on see väärtus 28 nm.

Nüüd teate rohkem oma arvuti sellise olulise komponendi kohta nagu protsessor. Tulge lisateabe saamiseks tagasi.

Räägime ühest mobiilikiibistiku põhiomadusest.

Kaasaegse nutitelefoni protsessor on keeruline mehhanism, mis sisaldab tuhandeid komponente. Näitajad nagu sagedus ja tuumade arv kaotavad järk-järgult oma tähenduse ning need asenduvad tehnilise protsessi mõistega, mis iseloomustab protsessori jõudlust ja energiatõhusust.

Mis on tehniline protsess?

Protsessor sisaldab tuhandeid transistore, mis võimaldavad või blokeerivad elektrivoolu, võimaldades loogikaahelatel töötada kahendsüsteemis. Transistoride suurust ja nendevahelist kaugust vähendades saavutavad tootjad kiibistikust suurema tootlikkuse.

Väiksemad transistorid tarbivad vähem energiat jõudlust ohverdamata. Hoolimata asjaolust, et transistoride suurus ei mõjuta otseselt võimsust, tuleks seda parameetrit pidada üheks omaduseks, mis seadme töö konstruktsioonimuudatuste tõttu mõjutab ülesande täitmise kiirust. Transistori suurus iseloomustab sisuliselt protsessorite tehnilist protsessi.

Vähendades protsessori komponentide vahelist kaugust, väheneb ka nende koostoimeks vajalik energia hulk. Tänu sellele on madalama tehnoloogilise protsessiga kiibid suurema autonoomiaga võrreldes kõrgema tehnoloogilise protsessiga kiipidega. Erinevalt enamikust nutitelefoni parameetritest, mida väiksem on tehnilist protsessi iseloomustav number, seda parem. Meie puhul on need nanomeetrid (nm).

Tehnoloogilise protsessi arendamine nutitelefonides

Esimeses Android-nutitelefonis HTC Dream (2008) töötas protsessor 65 nm kiibistikus. Tänapäeva keskmise eelarvega mudelites varieerub see parameeter vahemikus 28-14 nm. Lipulaevad ja mänguritelefonid on sageli varustatud 14 ja isegi 10 nm protsessoritega, seega on need võimsad, energiasäästlikud ja vähem kuumenevad. Arvestades, et tehnoloogia areng on suunatud masinõppele ja tehisintellektile, siis jõudluses uute kõrguste saavutamiseks vähendatakse tehnilist protsessi suure tõenäosusega 5-ni ja seejärel 1-ni.

Nutitelefoni valimisel on oluline arvestada mitte ainult tuumade arvu ja taktsagedusega, vaid pöörata tähelepanu ka tehnilisele protsessile. Just see parameeter näitab kaudselt kiibistiku asjakohasust, jõudlust, kalduvust üle kuumeneda ja autonoomiat. Tänaseks on keskmise hinna segmendi seadmed juba varustatud 14 nm protsessoritega, mida võib hetkel nimetada asjakohaseks ja tasakaalustatud lahenduseks igale kaasaegsele nutitelefonile.

Kuidas tehakse mikroskeeme?

Et mõista, mis on nende kahe tehnoloogia peamine erinevus, on vaja teha põgus ülevaade kaasaegsete protsessorite või integraallülituste tootmistehnoloogiast.

Nagu koolifüüsika kursusest teada, on kaasaegses elektroonikas integraallülituste põhikomponentideks p- ja n-tüüpi pooljuhid (olenevalt juhtivuse tüübist). Pooljuht on aine, mille juhtivus on parem kui dielektrikul, kuid madalam kui metallidel. Mõlemat tüüpi pooljuhtide aluseks võib olla räni (Si), mis puhtal kujul (nn sisemine pooljuht) juhib halvasti elektrivoolu, kuid räni teatud lisandi lisamine (sisseviimine) võib selle juhtivaid omadusi radikaalselt muuta. . Lisandeid on kahte tüüpi: doonor ja aktseptor. Doonorlisandiga tekivad elektroonilist tüüpi juhtivusega n-tüüpi pooljuhid ja aktseptori lisandiga p-tüüpi pooljuhid, mille juhtivus on auk. P- ja n-pooljuhtide kontaktid võimaldavad moodustada transistore - tänapäevaste mikroskeemide peamisi struktuurielemente. Need transistorid, mida nimetatakse CMOS-transistoriteks, võivad eksisteerida kahes põhiolekus: avatud, kui nad juhivad elektrit, ja välja lülitatud, kui nad ei juhi elektrit. Kuna CMOS-transistorid on tänapäevaste mikroskeemide põhielemendid, siis räägime neist üksikasjalikumalt.

Kuidas CMOS-transistor töötab?

Lihtsamal n-tüüpi CMOS-transistoril on kolm elektroodi: allikas, värav ja äravool. Transistor ise on valmistatud p-tüüpi aukjuhtivusega pooljuhist ning äravoolu- ja allikapiirkondades moodustuvad elektroonilise juhtivusega n-tüüpi pooljuhid. Loomulikult tekivad aukude difusiooni tõttu p-piirkonnast n-piirkonda ja elektronide pöörddifusioonist n-piirkonnast p-piirkonda ammendumiskihid (kihid, milles puuduvad suuremad laengukandjad). p- ja n-piirkonna üleminekute piiridel. Normaalses olekus, st kui paisule ei rakendata pinget, on transistor "lukustatud" olekus, see tähendab, et ta ei suuda voolu allikast äravoolu juhtida. Olukord ei muutu isegi siis, kui äravoolu ja allika vahele on rakendatud pinge (me ei võta arvesse lekkevoolusid, mis on põhjustatud vähemuslaengukandjate tekitatud elektriväljade mõjul liikumisest, st auke laengukandjate jaoks. n-piirkond ja elektronid p-piirkonna jaoks).

Kui aga rakendada väravale positiivne potentsiaal (joon. 1), muutub olukord kardinaalselt. Värava elektrivälja mõjul surutakse p-pooljuhti sügavale augud ja elektronid, vastupidi, tõmmatakse värava alla, moodustades allika ja äravoolu vahele elektronirikka kanali. Kui väravale rakendatakse positiivset pinget, hakkavad need elektronid liikuma allikast äravoolu. Sel juhul juhib transistor voolu, et transistor on "avatud". Kui paisupinge eemaldatakse, lakkab elektronide tõmbamine allika ja äravoolu vahelisele alale, juhtiv kanal hävib ja transistor lõpetab voolu läbimise, see tähendab, et see "lülitub välja". Seega saate värava pinget muutes avada või sulgeda transistori, sarnaselt sellele, kuidas saate tavalise lülituslüliti sisse või välja lülitada, kontrollides voolu voolu läbi vooluahela. Seetõttu nimetatakse transistore mõnikord elektroonilisteks lülititeks. Erinevalt tavalistest mehaanilistest lülititest on CMOS-transistorid aga praktiliselt inertsivabad ja on võimelised triljoneid kordi sekundis sisse-välja lülituma! Just see omadus, st võime hetkega ümber lülituda, määrab lõpuks kümnetest miljonitest sellistest lihtsatest transistoridest koosneva protsessori jõudluse.

Niisiis koosneb kaasaegne integraallülitus kümnetest miljonitest lihtsatest CMOS-transistoridest. Vaatleme üksikasjalikumalt mikroskeemide valmistamise protsessi, mille esimene etapp on ränisubstraatide tootmine.

Etapp 1. Toorikute kasvatamine

Selliste substraatide loomine algab silindrilise räni monokristalli kasvatamisega. Seejärel lõigatakse need ühekristallilised toorikud (toorikud) ümarateks vahvliteks (vahvliteks), mille paksus on ligikaudu 1/40 tolli ja läbimõõt 200 mm (8 tolli) või 300 mm (12 tolli). Need on mikroskeemide tootmiseks kasutatavad ränisubstraadid.

Räni monokristallidest vahvlite moodustamisel võetakse arvesse asjaolu, et ideaalsete kristallstruktuuride puhul sõltuvad füüsikalised omadused suuresti valitud suunast (anisotroopia omadus). Näiteks on ränisubstraadi takistus piki- ja põikisuunas erinev. Samuti, olenevalt kristallvõre orientatsioonist, reageerib ränikristall erinevalt mis tahes välismõjudele, mis on seotud selle edasise töötlemisega (näiteks söövitamine, pihustamine jne). Seetõttu tuleb plaat lõigata monokristallist nii, et kristallvõre orientatsioon pinna suhtes säiliks rangelt kindlas suunas.

Nagu juba märgitud, on ränist monokristalltooriku läbimõõt kas 200 või 300 mm. Veelgi enam, 300 mm läbimõõt on suhteliselt uus tehnoloogia, mida käsitleme allpool. On selge, et sellise läbimõõduga plaat mahutab rohkem kui ühe mikroskeemi, isegi kui me räägime Intel Pentium 4 protsessorist. Tõepoolest, ühele sellisele alusplaadile moodustatakse mitukümmend mikrolülitust (protsessorit), kuid lihtsuse huvides. arvestage ainult ühe tulevase mikroprotsessori väikesel alal toimuvaid protsesse.

2. samm. Kaitsev dielektriline kile (SiO2)

Pärast ränisubstraadi moodustumist algab keerulise pooljuhtstruktuuri loomise etapp.

Selleks on vaja räni sisse viia nn doonor- ja aktseptorlisandid. Siiski tekib küsimus: kuidas lisada lisandeid täpselt määratud mustri järgi? Selle võimaldamiseks kaitstakse need kohad, kuhu ei ole vaja lisandeid lisada, spetsiaalse ränidioksiidkilega, jättes nähtavale ainult need alad, mida töödeldakse edasi (joonis 2). Sellise soovitud mustriga kaitsekile moodustamise protsess koosneb mitmest etapist.

Esimesel etapil kaetakse kogu räniplaat täielikult õhukese ränidioksiidi kilega (SiO2), mis on väga hea isolaator ja toimib ränikristalli edasisel töötlemisel kaitsekilena. Vahvlid asetatakse kambrisse, kus kõrgel temperatuuril (900–1100 °C) ja rõhul difundeerub hapnik vahvlite pinnakihtidesse, mis viib räni oksüdeerumiseni ja ränidioksiidi pinnakihi moodustumiseni. Selleks, et ränidioksiidkile oleks täpselt määratud paksusega ja sellel ei oleks defekte, on vaja oksüdatsiooniprotsessi ajal rangelt säilitada konstantset temperatuuri vahvli kõigis punktides. Kui kogu vahvlit ei kavatseta katta ränidioksiidkilega, kantakse ränisubstraadile esmalt Si3N4 mask, et vältida soovimatut oksüdatsiooni.

Samm 3. Fotoresisti pealekandmine

Pärast seda, kui ränisubstraat on kaetud ränidioksiidi kaitsekilega, tuleb see kile eemaldada piirkondadest, mida edasi töödeldakse. Kile eemaldatakse söövitamise teel ning ülejäänud alade kaitsmiseks söövitamise eest kantakse vahvli pinnale nn fotoresisti kiht. Mõiste "fotoresistid" viitab ühenditele, mis on valgustundlikud ja vastupidavad agressiivsetele teguritele. Kasutatavatel kompositsioonidel peavad olema ühelt poolt teatud fotograafilised omadused (ultravioletvalgu mõjul muutuvad need lahustuvaks ja pestakse söövitusprotsessi käigus välja) ja teisest küljest vastupidavus, mis võimaldab neil taluda söövitamist hapetes ja leelistes. , küte jne. Fotoresistide peamine eesmärk on luua soovitud konfiguratsiooniga kaitsev reljeef.

Fotoresisti pealekandmise ja selle edasise ultraviolettvalgusega kiiritamise protsessi vastavalt antud mustrile nimetatakse fotolitograafiaks ja see sisaldab järgmisi põhioperatsioone: fotoresisti kihi moodustamine (substraadi töötlemine, pealekandmine, kuivatamine), kaitsva reljeefi moodustamine (säritamine, arendamine). , kuivatamine) ja kujutise kandmine aluspinnale (söövitamine, pihustamine jne).

Enne fotoresisti kihi (joonis 3) kandmist aluspinnale tehakse viimane eeltöötlus, mille tulemusena paraneb selle nake fotoresisti kihiga. Fotoresisti ühtlase kihi pealekandmiseks kasutatakse tsentrifuugimise meetodit. Substraat asetatakse pöörlevale kettale (tsentrifuug) ja tsentrifugaaljõudude mõjul jaotub fotoresist substraadi pinnale peaaegu ühtlase kihina. (Rääkides peaaegu ühtlasest kihist, võtame arvesse asjaolu, et tsentrifugaaljõudude mõjul suureneb tekkiva kile paksus keskelt servadeni, kuid see fotoresisti pealekandmise meetod talub kihi kõikumisi paksus ±10% piires)

4. samm. Litograafia

Pärast fotoresisti kihi pealekandmist ja kuivatamist algab vajaliku kaitsereljeefi moodustumise etapp. Reljeef tekib tänu sellele, et fotoresisti kihi teatud piirkondadele langeva ultraviolettkiirguse mõjul muudab viimane lahustuvusomadusi, näiteks valgustatud alad lakkavad lahustumast lahustis, mis eemaldab kiht, mis ei olnud valgustatud, või vastupidi - valgustatud alad lahustuvad. Reljeefi moodustamise meetodi alusel jagatakse fotoresistid negatiivseteks ja positiivseteks. Negatiivsed fotoresistid moodustavad ultraviolettkiirgusega kokkupuutel kaitsvaid reljeefseid alasid. Positiivsed fotoresistid, vastupidi, omandavad ultraviolettkiirguse mõjul voolavusomadused ja pestakse lahustiga välja. Sellest lähtuvalt moodustub kaitsekiht nendes piirkondades, mis ei puutu kokku ultraviolettkiirgusega.

Fotoresisti kihi soovitud alade valgustamiseks kasutatakse spetsiaalset maskimalli. Kõige sagedamini kasutatakse selleks fotograafiliselt või muul viisil saadud läbipaistmatute elementidega optilisi klaasplaate. Tegelikult sisaldab selline mall tulevase mikroskeemi ühe kihi joonist (kokku võib selliseid kihti olla mitusada). Kuna see mall on viide, tuleb see teha väga täpselt. Lisaks, võttes arvesse asjaolu, et ühest fotomaskist valmistatakse palju fotoplaate, peab see olema vastupidav ja kahjustuste suhtes vastupidav. Sellest on selge, et fotomask on väga kallis asi: olenevalt mikroskeemi keerukusest võib see maksta kümneid tuhandeid dollareid.

Ultraviolettkiirgus, mis läbib sellist malli (joonis 4), valgustab ainult fotoresisti kihi pinna vajalikke alasid. Pärast kiiritamist toimub fotoresist areng, mille tulemusena eemaldatakse kihist mittevajalikud alad. See paljastab ränidioksiidi kihi vastava osa.

Vaatamata fotolitograafilise protsessi näilisele lihtsusele on see mikroskeemide tootmise etapp kõige keerulisem. Fakt on see, et vastavalt Moore'i ennustusele suureneb transistoride arv ühel kiibil eksponentsiaalselt (kahekordistub iga kahe aasta järel). Selline transistoride arvu kasv on võimalik ainult nende suuruse vähenemise tõttu, kuid just vähenemine "toetub" litograafiaprotsessile. Transistoride väiksemaks muutmiseks on vaja vähendada fotoresisti kihile kantud joonte geomeetrilisi mõõtmeid. Kuid kõigel on piir, laserkiire teravustamine punktini pole nii lihtne. Fakt on see, et vastavalt laineoptika seadustele määratakse muude tegurite hulgas kindlaks selle koha minimaalne suurus, kuhu laserkiir fokusseeritakse (tegelikult pole see lihtsalt täpp, vaid difraktsioonimuster). valguse lainepikkuse järgi. Litograafiatehnoloogia areng alates selle leiutamisest 70ndate alguses on olnud valguse lainepikkuse vähendamise suunas. Just see võimaldas vähendada integraallülituse elementide suurust. Alates 80ndate keskpaigast hakati fotolitograafias kasutama laseriga toodetud ultraviolettkiirgust. Idee on lihtne: ultraviolettkiirguse lainepikkus on lühem kui nähtava valguse lainepikkus, seetõttu on võimalik fotoresisti pinnale saada peenemaid jooni. Kuni viimase ajani kasutati litograafias sügavat ultraviolettkiirgust (DUV) lainepikkusega 248 nm. Kui fotolitograafia liikus aga üle 200 nm, tekkisid tõsised probleemid, mis esimest korda seadsid kahtluse alla selle tehnoloogia jätkuva kasutamise. Näiteks lainepikkustel alla 200 mikroni neeldub valgustundlik kiht liiga palju valgust, mis muudab ahela malli protsessorile edastamise protsessi keerulisemaks ja aeglasemaks. Sellised probleemid sunnivad teadlasi ja tootjaid otsima alternatiive traditsioonilisele litograafiatehnoloogiale.

Uus litograafiatehnoloogia, mida nimetatakse EUV litograafiaks (Extreme UltraViolet ultra-hard ultraviolet radiation), põhineb ultraviolettkiirguse kasutamisel lainepikkusega 13 nm.

Üleminek DUV-lt EUV-litograafiale annab rohkem kui 10-kordse lainepikkuse vähenemise ja ülemineku vahemikku, kus see on võrreldav vaid mõnekümne aatomi suurusega.

Praegune litograafiatehnoloogia võimaldab mustrit minimaalse juhi laiusega 100 nm, samas kui EUV litograafia võimaldab printida palju väiksema laiusega jooni – kuni 30 nm. Ultralühiajalise kiirguse kontrollimine pole nii lihtne, kui tundub. Kuna klaas neelab EUV kiirgust hästi, hõlmab uus tehnoloogia nelja spetsiaalse kumera peegli seeria kasutamist, mis vähendavad ja fokusseerivad pärast maski pealekandmist saadud kujutist (joon. 5, ,). Iga selline peegel sisaldab 80 eraldi metallikihti, mille paksus on umbes 12 aatomit.

5. samm: söövitamine

Pärast fotoresisti kihi eksponeerimist alustatakse söövitamise etapis ränidioksiidkile eemaldamist (joonis 8).

Söövitusprotsess on sageli seotud happevannidega. Seda happesöövitamise meetodit teavad hästi raadioamatöörid, kes on ise trükkplaate valmistanud. Selleks kantakse fooliumiga kaetud trükkplaadile lakiga tulevase plaadi radade muster, mis toimib kaitsekihina, ja seejärel lastakse plaat lämmastikhappevanni. Fooliumi mittevajalikud osad söövitatakse maha, paljastades puhta PCB. Sellel meetodil on mitmeid puudusi, millest peamine on võimetus kihi eemaldamise protsessi täpselt juhtida, kuna söövitusprotsessi mõjutavad liiga paljud tegurid: happe kontsentratsioon, temperatuur, konvektsioon jne. Lisaks interakteerub hape materjaliga igas suunas ja tungib järk-järgult fotoresist maski serva alla ehk hävitab fotoresistiga kaetud kihid küljelt. Seetõttu kasutatakse protsessorite tootmisel kuivsöövitamise meetodit, mida nimetatakse ka plasmaks. See meetod võimaldab söövitusprotsessi täpselt juhtida ja söövitatud kihi hävitamine toimub rangelt vertikaalsuunas.

Kuivsöövitamisel kasutatakse ioniseeritud gaasi (plasmat), et eemaldada vahvli pinnalt ränidioksiid, mis reageerib ränidioksiidi pinnaga, tekitades lenduvaid kõrvalsaadusi.

Pärast söövitusprotseduuri, st kui soovitud puhta räni alad on paljastatud, eemaldatakse ülejäänud osa fotokihist. Seega jääb ränisubstraadile ränidioksiidiga tehtud muster.

6. etapp. Difusioon (ioonide implanteerimine)

Meenutagem, et eelnev ränisubstraadile vajaliku mustri moodustamise protsess oli vajalik selleks, et doonor- või aktseptorlisandi sisseviimisega luua õigetesse kohtadesse pooljuhtstruktuure. Lisandite sisseviimise protsess viiakse läbi difusiooni teel (joonis 9) lisandiaatomite ühtlase sisseviimisega ränikristallvõre. N-tüüpi pooljuhi saamiseks kasutatakse tavaliselt antimoni, arseeni või fosforit. P-tüüpi pooljuhi saamiseks kasutatakse lisandina boori, galliumi või alumiiniumi.

Ioonide implanteerimist kasutatakse lisandi difusiooni protsessis. Implanteerimisprotsess seisneb selles, et soovitud lisandi ioonid "tulitatakse" kõrgepinge kiirendist ja piisava energia olemasolul tungivad räni pinnakihtidesse.

Seega on ioonide implanteerimise etapi lõpus loodud pooljuhtstruktuuri vajalik kiht. Kuid mikroprotsessorites võib selliseid kihte olla mitu. Saadud vooluringi mustris järgmise kihi loomiseks kasvatatakse täiendav õhuke ränidioksiidi kiht. Pärast seda sadestatakse polükristallilise räni kiht ja teine ​​​​fotoresisti kiht. Ultraviolettkiirgus lastakse läbi teise maski ja tõstab fotokihil esile vastava mustri. Seejärel järgnevad jälle fotokihi lahustamise, söövitamise ja ioonide implanteerimise etapid.

7. etapp. Pritsimine ja sadestamine

Uute kihtide pealekandmine toimub mitu korda, samas kui kihtidevaheliste ühenduste jaoks jäetakse kihtidesse “aknad”, mis on täidetud metalliaatomitega; Selle tulemusena tekivad kristallile metallribad juhtivad piirkonnad. Sel viisil loovad kaasaegsed protsessorid kihtide vahel ühendusi, mis moodustavad keeruka kolmemõõtmelise vooluringi. Kõigi kihtide kasvatamise ja töötlemise protsess kestab mitu nädalat ning tootmistsükkel ise koosneb enam kui 300 etapist. Selle tulemusena moodustuvad räniplaadile sadu ühesuguseid protsessoreid.

Et vastu pidada löökidele, millega vahvlid kihistamise käigus kokku puutuvad, tehakse räniplaadid esialgu üsna paksuks. Seetõttu vähendatakse enne vahvli lõikamist üksikuteks protsessoriteks selle paksust 33% ja tagaküljelt eemaldatakse mustus. Seejärel kantakse substraadi tagaküljele spetsiaalse materjali kiht, et parandada kristalli kinnitust tulevase protsessori korpuse külge.

8. etapp. Viimane etapp

Moodustamistsükli lõpus testitakse kõiki protsessoreid põhjalikult. Seejärel lõigatakse substraadiplaadist spetsiaalse seadme abil välja kindlad testi juba läbinud kristallid (joonis 10).

Iga mikroprotsessor on ehitatud kaitsekorpusesse, mis tagab ka elektriühenduse mikroprotsessori kiibi ja välisseadmete vahel. Korpuse tüüp sõltub mikroprotsessori tüübist ja kavandatavast rakendusest.

Pärast korpusesse sulgemist testitakse iga mikroprotsessorit uuesti. Vigased protsessorid lükatakse tagasi ja töötavatele tehakse koormustestid. Seejärel sorteeritakse protsessorid vastavalt nende käitumisele erinevatel taktsagedustel ja toitepingel.

Paljutõotavad tehnoloogiad

Oleme käsitlenud mikroskeemide (eriti protsessorite) tootmise tehnoloogilist protsessi väga lihtsustatult. Kuid isegi selline pealiskaudne esitlus võimaldab mõista tehnoloogilisi raskusi, mis tekivad transistoride suuruse vähendamisel.

Enne uute paljutõotavate tehnoloogiate kaalumist vastame aga artikli alguses püstitatud küsimusele: mis on tehnoloogilise protsessi projekteerimisstandard ja kuidas tegelikult erineb projekteerimisstandard 130 nm standardist 180 nm? 130 nm või 180 nm on iseloomulik minimaalne kaugus kahe külgneva elemendi vahel mikroskeemi ühes kihis, st teatud tüüpi võrgusamm, millega mikroskeemi elemendid on ühendatud. On üsna ilmne, et mida väiksem on see iseloomulik suurus, seda rohkem transistore saab paigutada samale mikrolülituse alale.

Praegu kasutavad Inteli protsessorid 0,13-mikronist protsessitehnoloogiat. Seda tehnoloogiat kasutatakse Northwoodi tuumaga Intel Pentium 4 protsessori, Tualatini tuumaga Intel Pentium III protsessori ja Intel Celeroni protsessori tootmiseks. Sellise tehnoloogilise protsessi kasutamisel on transistori kasulik kanali laius 60 nm ja paisu oksiidikihi paksus ei ületa 1,5 nm. Kokku sisaldab Intel Pentium 4 protsessor 55 miljonit transistorit.

Lisaks protsessorikiibi transistoride tiheduse suurendamisele on 0,13-mikronilisel tehnoloogial, mis asendas 0,18-mikronilise tehnoloogia, muid uuendusi. Esiteks kasutab see üksikute transistoride vahelisi vaskühendusi (0,18-mikronilise tehnoloogia puhul olid ühendused alumiiniumist). Teiseks tagab 0,13-mikroniline tehnoloogia väiksema energiatarbimise. Näiteks mobiilsete seadmete puhul tähendab see seda, et mikroprotsessorite energiatarve väheneb ja aku tööiga pikeneb.

Noh, viimane uuendus, mis 0,13-mikronilisele tehnoloogilisele protsessile üleminekul kasutusele võeti, on 300 mm läbimõõduga räniplaatide (vahvlite) kasutamine. Meenutagem, et enne seda valmistati enamik protsessoreid ja mikroskeeme 200 mm vahvlite baasil.

Vahvli läbimõõdu suurendamine võimaldab vähendada iga protsessori maksumust ja suurendada piisava kvaliteediga toodete saagist. Tõepoolest, 300 mm läbimõõduga vahvli pindala on 2,25 korda suurem kui 200 mm läbimõõduga vahvli pindala ja vastavalt sellele on ühest 300 läbimõõduga vahvlist saadud protsessorite arv mm on üle kahe korra suurem.

2003. aastal loodetakse kasutusele võtta uus tehnoloogiline protsess veelgi väiksema disainistandardiga, nimelt 90-nanomeetrine. Uus protsess, mille abil Intel hakkab valmistama enamikku oma toodetest, sealhulgas protsessoreid, kiibistikke ja sideseadmeid, töötati välja Inteli D1C 300 mm vahvlite piloottehases Hillsboros, Oregonis.

23. oktoobril 2002 teatas Intel uue 2 miljardi dollari suuruse rajatise avamisest Rio Ranchos, New Mexicos. Uus tehas nimega F11X hakkab kasutama tipptehnoloogiat, et toota protsessoreid 300 mm vahvlitel, kasutades 0,13 mikronit disainiprotsessi. 2003. aastal viiakse tehas üle tehnoloogilisele protsessile, mille projekteerimisstandard on 90 nm.

Lisaks on Intel juba teatanud teise tootmisüksuse ehitamise jätkamisest Leixlipis (Iirimaa) Fab 24, mis on mõeldud pooljuhtkomponentide tootmiseks 90 nm disainistandardiga 300 mm räniplaatidel. Uus ettevõte, mille kogupindala on üle 1 miljoni ruutmeetri. jalad eriti puhaste ruumidega, mille pindala on 160 tuhat ruutmeetrit. ft alustab tegevust 2004. aasta esimesel poolel ja annab tööd enam kui tuhandele töötajale. Rajatise maksumus on umbes 2 miljardit dollarit.

90 nm protsess kasutab mitmesuguseid arenenud tehnoloogiaid. Need on maailma väikseimad seeriaviisiliselt toodetud CMOS-transistorid, mille paisu pikkus on 50 nm (joonis 11), mis tagab suurema jõudluse, vähendades samal ajal energiatarbimist, ja kõige õhem paisu oksiidikiht kõigist transistoridest, mis on kunagi toodetud – ainult 1,2 nm (joonis 11). 12) või vähem kui 5 aatomikihti ja tööstuse esimene suure jõudlusega pingestatud ränitehnoloogia rakendamine.

Loetletud omadustest vajab kommenteerimist võib-olla vaid „pingutatud räni” mõiste (joonis 13). Sellises ränis on aatomite vaheline kaugus suurem kui tavalises pooljuhis. See omakorda võimaldab voolul vabamalt liikuda, sarnaselt sellele, kuidas liiklus liigub vabamalt ja kiiremini laiemate radadega teel.

Kõigi uuenduste tulemusena paranevad transistoride jõudlusnäitajad 10-20%, samas kui tootmiskulud tõusevad vaid 2%.

Lisaks kasutab 90 nm protsess kiibil seitset kihti (joonis 14), mis on üks kiht rohkem kui 130 nm protsess, ning vasest ühendusi.

Kõik need funktsioonid koos 300 mm räniplaatidega pakuvad Intelile jõudluse, tootmismahu ja kulude osas eeliseid. Kasu saavad sellest ka tarbijad, kuna Inteli uus protsessitehnoloogia võimaldab tööstusel vastavalt Moore'i seadusele edasi areneda, suurendades protsessori jõudlust ikka ja jälle.

Protsessor See on iga kaasaegse arvuti süda. Iga mikroprotsessor on sisuliselt suur integraallülitus, millel asuvad transistorid. Elektrivoolu läbilaskmisel võimaldavad transistorid luua binaarloogika (sisse-välja) arvutusi. Kaasaegsed protsessorid põhinevad 45 nm tehnoloogial. 45nm (nanomeeter) on ühe protsessori plaadil asuva transistori suurus. Kuni viimase ajani kasutati peamiselt 90 nm tehnoloogiat.

Vahvlid on valmistatud ränist, mis on suuruselt teine ​​maardla maapõues.

Räni saadakse keemilise töötlemise teel, puhastades seda lisanditest. Pärast seda hakkavad nad seda sulatama, moodustades 300-millimeetrise läbimõõduga ränisilindri. Seejärel lõigatakse see silinder teemantkeermega plaatideks. Iga plaadi paksus on umbes 1 mm. Plaadi ideaalse pinna tagamiseks poleeritakse see pärast keermega lõikamist spetsiaalse lihvimismasinaga.

Pärast seda on ränivahvli pind täiesti sile. Muide, paljud tootmisettevõtted on juba teatanud võimalusest töötada 450 mm plaatidega. Mida suurem on pind, seda suurem on mahutatavate transistoride arv ja seda suurem on protsessori jõudlus.

Protsessor koosneb räniplaadist, mille pinnal on kuni üheksa kihti transistore, mis on eraldatud isolatsiooniks oksiidikihtidega.

Protsessoritehnoloogia arendamine

Maailma protsessorite tootmise ühe liidri Inteli üks asutajatest Gordon Moore avastas 1965. aastal oma tähelepanekute põhjal seaduse, mille kohaselt ilmusid võrdsete ajavahemike järel uued protsessorite ja kiipide mudelid. Transistoride arv protsessorites kasvab 2 aastaga ligikaudu 2 korda. Juba 40 aastat on Gordon Moore'i seadus toiminud moonutusteta. Tulevikutehnoloogiate arendamine on ukse ees – juba on olemas töötavad prototüübid, mis põhinevad 32 nm ja 22 nm protsessorite tootmistehnoloogiatel. Kuni 2004. aasta keskpaigani sõltus protsessori võimsus eelkõige protsessori sagedusest, kuid alates 2005. aastast on protsessori sageduse kasv praktiliselt peatunud. Ilmunud on uus mitmetuumalise protsessori tehnoloogia. See tähendab, et mitu protsessori tuuma luuakse võrdse taktsagedusega ja töötamise ajal summeeritakse tuumade võimsus. See suurendab protsessori üldist võimsust.

Allpool saate vaadata videot protsessorite tootmisest.

Tehnoloogiline protsess, ehk veel täpsemalt pooljuhtide tootmise tehnoloogiline protsess.
Varem olid tehnoloogiliste tootmisstandardite pärast mures ainult tootjad. Kuid nagu sündmuste kronoloogiast näha, vähendavad tootjad tootmisstandardeid peaaegu igal aastal. Ja kõik sellest, et tootja peab vähendama tootmisstandardeid nii soojuse tootmise vähendamiseks kui ka tootlikkuse suurendamiseks.
Seetõttu muutub protsessori valikul üsna oluliseks parameetriks tootmisprotsess. Lõppude lõpuks, mida väiksem on tehniline protsess, seda väiksem on protsessori energiatarve (ja selle tulemusena pole vaja võimsat ja mürarikast jahutit), jõudlus suureneb ja transistoride arv samas piirkonnas.

1. 90 nm - tehnoloogiline protsess, mis vastab aastatel 2002-2003 saavutatud tehnoloogia tasemele
2. 65 nm – 2004. aastaks saavutatud tehnoloogiatasemele vastav tehnoloogiline protsess
3. 50 nm – 2005. aastaks saavutatud tehnoloogiatasemele vastav tehnoloogiline protsess
4. 45 nm – tehnoloogiline protsess, mis vastab aastatel 2006-2007 saavutatud tehnoloogia tasemele
5. 32 nm - tehnoloogiline protsess, mis vastab aastatel 2009-2010 saavutatud tehnoloogia tasemele
6. 22 nm – tootmine peaks algama 2012. aasta lõpus. Inteli arhitektuuriga protsessorid lastakse suure tõenäosusega välja Larrabee arhitektuuriga integreeritud graafikatuumaga.
7. 8 nm - ettevõtte plaanide kohaselt tuleb 8 nm protsessitehnoloogiat kasutavate protsessorite tootmisele üleminekuks üle minna "III-V pooljuht" (III-Vs) tehnoloogiale, materjalile uute tootmiseks. põlvkonna transistorid. Ja nimi on III ja V valentsiga keemiliste elementide koostis.
8. 5 nm – masstootmismeetodite normaalse arengu korral saab 2019. aastal üle minna 5 nm projekteerimisstandarditele, aluseks on süsiniknanotorusid kasutavad väljatransistorid (Carbon nanotube FET).

Ettevõte järgib tehnoloogiaarenduse strateegiat nimega “tick-tock”, mis tähendab tehnoloogia täiustumisel üleminekut vanalt arhitektuurilt (“tikk”) uuele “tick-tockile” kord kahe aasta jooksul.
Kui võrrelda 65 nm ja 45 nm standardeid, siis paigutatakse samadele aladele kaks korda rohkem transistore. Samal ajal väheneb võimsuse hajumine lülitamise ajal 30% võrra, samuti suureneb transistori lülituskiirus 20%. Samuti väheneb lekkevool allikast äravoolu 5 korda ja lekkevool läbi transistori värava väheneb 10 võrra. Transistoride arv on kahekordistunud, suurendades seeläbi tootlikkust. Teise taseme vahemälu (L2) maht on kasvanud 50%.

— kas on vähenduslimiit?

Kõige esimene transistor, mille Bell Labsi teadlased 1947. aastal valmistasid, oli inimese peopesa suurune ja Inteli 45 nm transistor on 400 korda väiksem kui inimese punalible.
Kuid tootmises põhjustab tehnilise protsessi pidev vähendamine mõningaid raskusi. Elektronide läbipääsu eest vastutava transistori komponendi paksus, teisisõnu paisu dielektriku paksus, on 65 nm protsessitehnoloogial valmistatud protsessoris vaid 1,2 nm. Rohkem kui 30 aastat on värava dielektriliseks materjaliks olnud ränidioksiid, selle molekul koosneb 1 räni- ja 2 hapnikuaatomist. Paksus 1,2 nm võrdub viie aatomikihiga. Ja nii õhuke isolaator ei suuda füüsiliselt lekkevoolusid sisaldada. Kui paisu dielektrik on väiksem kui 1 nm, suureneb lekkevool eksponentsiaalselt.

Ettevõte lahendas selle probleemi, kuna sellest pole raske aru saada, probleemi lahenduseks oli ränidioksiidi asendamine kvaliteetsema materjaliga, mida kasutati värava dielektriku valmistamisel. Nn kõrge k-iga isolaator, mis on valmistatud hafniumi baasil ja millel on kõrge dielektriline konstant. Kõrge k dielektriku kasutamisel oli võimalik saavutada transistori väljaefekti suurenemine ja dielektrilise kihi vähendamine koos värava läbiva lekkevoolu vähenemisega.